太阳能光伏发电与建筑一体化毕业论文一、光伏产业光伏产业是一种环保型能源产业。
就是利用太阳电池,不需要复杂的中间环节,就可以直接把光能转换为电能,将太阳赋予的能量送到每一个地方。
与其他常规能源相比,太阳能光伏发电具有明显的优越性:一是高度的清洁性,发电过程中无污染、无噪音、无损耗,对保护环境极其有利;二是绝对的安全性,太阳光一照射太阳电池就能发电,对人、动植物无任何伤害;三是普遍的实用性,凡是能安装太阳电池的地方就能实现“到处阳光到处电”的目标,可广泛用于通信、交通、海事、军事等各个领域,上至航天器,下至家用电器,大到兆瓦级电站,小到玩具,都能运用光伏太阳能;四是资源的充足性,太阳的能量几乎是取之不尽的.太阳能光伏建筑发电是新世纪的一种最重要的可再生能源,同时又是高科技在建筑中的应用。
人人都应该了解它,熟悉它和利用它。
从整体开看,我们要研究光伏太阳能,是因为太阳能是地球上对环境起保护作用的最重要能源,是“取之不尽,用之不竭”的可再生能源,同时又是唯一满足宇宙空间中卫星和航空器所需要的能源。
随着能源要求量的不断增加,原有的传统能源(如煤,石油,天然气等矿物化学燃料)不但对环境已产生极其严重的污染,而且在不久的将来就会耗尽。
所以我们必须研究和发可再生能源,尤其是研究和发展太阳能。
二、太阳能技术的类型。
从应用类型看,太阳能技术可分为太阳能发电、太阳能热利用技术和太阳能空调技术三种类型:一是太阳能发电。
包括太阳能光伏发电和太阳能热发电。
太阳能光伏发电技术成熟,不论是离网光伏发电系统还是并网光伏发电系统都有较大规模的应用和实践。
太阳能热发电技术目前尚处于商业化前夕,世界现有的太阳能热发电系统大致有三类:槽式线聚焦系统、塔式系统和碟式系统。
预计2020年前后,太阳能热发电将在发达国家实现商业化,并逐步向发展中国家扩展。
二是太阳能热利用技术。
在欧洲、澳大利亚等国家的太阳热水系统主要是作为辅助热源与常规能源系统联合运行在供应生活和洗浴热水的同时,还为建筑供暖。
在中国、希腊、以色列等国家的太阳能热水系统主要供应生活和洗浴热水。
三是太阳能空调技术。
即直接利用太阳能做为空调主机的动力,从而实现正常制冷制热的空调技术。
目前,大型的溴化锂吸收式制冷机已实现太阳能利用,其它类型制冷机的太阳能利用技术正在开发研究中。
三、光伏发电原理光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。
这种技术的关键元件是太阳能电池。
太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件,再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。
3.1光吸收和电的产生3.1.1光吸收光投射到光伏材料上存在反射、吸收和透射三种可能。
对于光伏元件来说,光的反射和透射都是损失,关键是要有效的吸收投射光,以产生电能供人们使用。
在忽视反射的情况下,材料对光的吸收量取决于材料的吸收系数和材料厚度。
太阳光在光伏材料中由于被吸收而使光强沿材料厚度方向不断下降。
3.1.2电的产生假定吸收光子使光强的减少量完全用于产生电子-空穴对,那么在薄片材料中电子-空穴对的产生量G可以通过薄片的光强变化来计算。
电能-电功率的产生3.2电流的产生—光生载流子的收集太阳光入射到太阳能电池会产生电子-空穴对,由于光生少数载流子必须在被复合之前就要跨过P-N结才能对外电路做贡献,少数载流子一旦跨过P-N结会被收集。
这时,如果外电路与太阳能电池连接就有电流产生并通过外电路收集到太阳能电池产生的光生电流。
理想太阳能电池的光生电流就是没有外加偏压时的外电路电流。
3.3电压的产生-电功率输出光生载流子本身不能升格为电功率(电能能源),例如检测用的光电二极管可收集到很高的光生电流I,但不能产生任何电功率。
为了产生电功率P,必须同时产生电压V和电流I,这就是电功率P=IV。
太阳能电池吸收了入射的太阳光子后产生了荷电的载流子,在外电路有电流和电压,通过外电路的负载去做功。
3.4光伏材料3.4.1半导体世界上所有的材料物质都可以分为固体、液体和气体,其中固体又可以分为导体和绝缘体。
有一种材料,在低温下是绝缘体,但这种材料加入杂质、得到能量或加热时就变成导体,这种材料叫做半导体。
现在实际使用的太阳能电池都由半导体材料制成。
用于太阳电池的半导体材料有单晶体,多晶体,非晶体三种形式。
1)单晶体整块晶片只有一个晶粒,晶粒的原子有次序的排列着,不存在晶粒边界,单晶体要求严格的精制技术。
2)多晶体多晶体的制备不要求那么严格的精制技术。
一块晶片含有许多晶粒,晶粒之箭存在边界。
由于边界存在很大电阻,晶粒边界会阻止电流流动,或电流流经P-N结时有旁路分流,并在禁带有多余能级把光产生的一些带电粒子复合掉。
3)非晶体原子结构没有长序,材料含有未饱和的或悬浮的键。
非晶体材料不能用扩散(加入杂质)的方法改变材料导电类型。
但加入氢原子会使非晶体中一部分悬浮键饱和,改变了材料的质量。
3.4.2半导体P-N结在一块半导体中,掺入施主杂质(以硅硅为例,在高纯硅的一端掺入一点点硼、铝、镓等杂质就是P型半导体。
在另一端掺入一点点磷、砷、锑等杂质就是N型半导体),使其中一部分成为N型半导体。
其余部分掺入受主杂质而成为P型半导体,单纯的片P型或N型半导体,仅仅是导电能力增强了,但还不具备半导体器件所要求的各种特性。
如果在一块N型(或P 型)半导体上在制成一层P型(或N型)半导体,于是在P型半导体和N型半导体的交界处就会形成一个P-N结。
太阳能电池的工作原理是,太阳光照在半导体P-N结上,形成新的空穴-电子对,在P-N结电场的作用下,空穴由N区流向P区,电子由P区流向N区,接通电路后就形成电流。
这就是光电效应太阳能电池的工作原理。
四、光伏建筑一体化的定义光伏建筑一体化(BIPV)技术即将太阳能发电(光伏)产品集成到建筑上的技术。
BIPV即Building Integrated PV,PV即Photovolta-ic。
光伏建筑—体化(BIPV)不同于光伏系统附着在建筑上(BAPV:Building Attached PV)的形式。
光伏—建筑一体化(BIPV)的形式与特点在80年代,光伏地面系统除大量用于偏僻无电地区、游牧家庭、航海灯塔、孤岛居民供电以及某些特殊领域外,已开始进入一般单独用户、联网用户和商业建筑。
进入90年代后,随着常规能源的日益枯竭而引起的发电成本上升和人们环境意识的日益增强,一些国家纷纷开始实施、推广BIPV系统。
五、太阳能与建筑结合的特点太阳能与建筑结合的优点包括:1)能有效地减少建筑能耗;2)电池板和集热器安装在屋顶或屋面上,节省了土地资源;3)就地安装、就地发电上网和供应热水,降低对市政配套的依赖;4)没有噪音,没有排放,不消耗任何燃料,易于接受。
5.1太阳能建筑的建筑形式1)采用普通太阳能电池组件或集热器,安装在倾斜屋顶原来的建筑材料之上;2)采用特殊的太阳能电池组件或集热器,作为建筑材料安装在斜屋顶上;3)采用普通太阳能电池组件或集热器,安装在平屋顶原来的建筑材料之上;4)采用特殊的太阳能电池组件或集热器,作为建筑材料安装在平屋顶上;5)采用普通或特殊的太阳能电池组件或集热器,作为幕墙安装在南立面上;6)采用特殊的太阳能电池组件或集热器,作为建筑幕墙镶嵌在南立面上;7)采用特殊的太阳能电池组件或集热器,作为天窗材料安装在屋顶上;8)采用普通或特殊的太阳能电池组件或集热器,作为遮阳板安装在建筑上;5.2光伏与建筑的结合有两种方式:一种是建筑与光伏系统相结合;另外一种是建筑与光伏器件相结合。
5.2.1建筑与光伏系统相结合把封装好的的光伏组件(平板或曲面板)安装在居民住宅或建筑物的屋顶上,再与逆变器、蓄电池、控制器、负载等装置相联。
光伏系统还可以通过一定的装置与公共电网联接。
简易的屋顶太阳能实例大型屋顶建筑实例中国建筑实例5.2.2建筑与光伏器件相结合建筑与光伏的进一步结合是将光伏器件与建筑材料集成化。
一般的建筑物外围护表面采用涂料、装饰瓷砖或幕墙玻璃,目的是为了保护和装饰建筑物。
如果用光伏器件代替部分建材,即用光伏组件来做建筑物的屋顶、外墙和窗户,这样既可用做建材也可用以发电,可谓物尽其美。
对于框架结构的建筑物,可把其整个围护结构做成光伏阵列,选择适当光伏组件,既可吸收太阳直射光,也可吸收太阳反射光。
目前已经研制出大尺度的彩色光伏模块,可以实现以上目的,还可使建筑外观更具魅力。
近年来建筑师常用幕墙结构作为建筑的外避面。
虽然看起来比较美观,但是幕墙结构会增大建筑的冷发、负荷,进而增加建筑物的能耗。
利用光伏板作为建筑的外壁面不仅可以将尽可能多的太阳能转化为电能,还可以有效的阻止部分太阳辐射进入建筑部,进而减少建筑的冷负荷,降低建筑物的耗能。
光伏墙可以视为一个多用途系统,它在输出电力的同时还可以部分替代传统的建筑材料。
光伏墙由光伏板、光伏板与墙面间的气流流道、固定支架、空气入口、空气出口以及墙体组成。
把光伏器件用做建材,必须具备建材所要求的几项条件:坚固耐用、保温隔热、防水防潮、适当的强度和刚度等性能。
若是用于窗户、天窗等,则必须能够透光,就是说既可发电又可采光。
除此之外,还要考虑安全性能、外观和施工简便等因素。
光伏墙壁实例用光伏器件代替部分建材,在将来随着应用面的扩大,光伏组件的生产规模也随之增大,则可从规模效益上降低光伏组件的成本,有利于光伏产品的推广应用,所以存在着巨大的潜在市场。
六、光伏—建筑一体化的优点1.联网系统光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或墙面上,无需额外用地或增建其他设施,适用于人口密集的地方使用。
这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要。
2.可原地发电、原地用电,在一定距离围可以节省电站送电网的投资。
对于联网户用系统,光伏阵列所发电力既可供给本建筑物负载使用,也可送入电网。
在阴雨天、夜晚或光强很小的时候,负载可由电网供电。
由于有光伏阵列和公共电网共同给负载供应电力,增加了供电的可靠性。
3.夏季,处于日照时,由于大量制冷设备的使用,形成电网用电高峰。
而这时也是光伏阵列发电最多的时候。
BIPV系统除保证自身建筑用电外,还可以向电网供电,从而缓解高峰电力需求。
4.由于光伏阵列安装在屋顶和墙壁等外围护结构上,吸收太阳能,转化为电能,大大降低了室外综合温度,减少了墙体得热和室空调冷负荷,既节省了能源,又利于保证室的空气品质。
5.避免了由于使用一般化石燃料发电所导致的空气污染和废渣污染,这对于环保要求严格的今天与未来更为重要。
6.由于光伏电池的组件化,光伏阵列安装起来很简便,而且可以任意选择发电容量。
7.在建筑围护结构上安装光伏阵列,可以促进PV部件的大规模生产,从而能够进一步降低PV部件的市场价格,这对于BIPV系统的广泛应用有着极大的推动作用七、与建筑结合对太阳能产品的要求除了太阳能产品本身的采集热量供热和发电功能以外,还要考虑隔离室外、防雨、抗风、隔热、隔噪音、遮阳、美观等功能,甚至还包括使其成为建筑材料替代原有的建筑材料,以及将其制造得更便于安装和维护。